DE60000441T2

DE60000441T2 - Rotierende oberfläche eines rotationsreaktors mit temperaturkontollierendem mechanismus

Info

Publication number: DE60000441T2
Application number: DE60000441T
Authority: DE
Inventors: Roshan Jeet Jee Jachuck; Colin Ramshaw
Original assignee: Protensive Ltd
Current assignee: Protensive Ltd
Priority date: 1999-02-17
Filing date: 2000-02-17
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2020-02-18
Also published as: US7247202B1; AU2679100A; JP2002542002A; PT1152824E; EP1156875B1; EP1464389A1; EP1156875A1; ATE227158T1; ES2241576T3; EP1152824B2; WO2000048729A2; EP1169125A2; WO2000048732A1; EP1152824B8; ATE223752T1; GB9903474D0; EP1156875B8; DK1156875T3; US6858189B1; AU2559700A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die rotierende Oberfläche eines Umwälzreaktors, der mit verschiedenen Temperaturkontrollmechanismen ausgestattet ist.
Die Erfindung verwendet rotierende Oberflächen der Umwälztechnologie (nachfolgend RSORT) (üblicherweise bekannt als Wirbelscheibentechnologie).
Das Wirbelscheibenkonzept ist ein Ansatz, Methoden der Prozeßintensivierung in den technischen Feldern des Wärme- und Massetransports zu erreichen. Diese Technologie operiert unter Verwendung von Hochgravitationsfeldern, die durch Rotation einer Scheibenoberfläche erzeugt werden und erreichen, daß eine Flüssigkeit, welche im Bereich der Achse einer Scheibe auf deren Oberfläche gebracht wird unter dem Einfluß von Zentrifugalkräften in Form dünner, oft welliger Filme radial nach außen fließen. Diese dünnen Filme sind bisher gezeigt worden, um die Wärme- und Masseübertragungsraten und deren Mischungen signifikant zu verbessern. Die Technologie ist entwickelt worden für typische Wärme- und Massetransferoperationen, so wie Wärmetauschen, Wärmen, Abkühlen und Mischen, Vermischen oder dergleichen, wie beispielsweise offenbart in R J J Jachuck und C. Ramshaw, "Process Itensification: Heat transfer characteristics of tailored rotating surfaces", Heat Recovery Systems & CHP, Vol. 14, No. 5, p475-491, 1994.
Erst vor kurzem ist diese Technologie als Reaktoroberfläche für Systeme verwendet worden, welche sich allein auf den Wärme- und Massetransfer beschränken, welche bis zum letzten Schritt der Reaktion hochviskos bleiben und daher Probleme in Bezug auf eine gute Vermischung und Produkteigenschaften bereiten.
Boodhoo, Jachuck & Ramshaw offenbaren in "Process Itensification: Spinning Disc Polymeriser for the Manufacture of Polystyrene" die Verwendung einer Wirbelscheibenvorrichtung, in welcher ein Monomer bei ansteigender Temperatur über die Oberfläche einer Wirbelscheibe geführt wird, wodurch ein Umwandlungsprodukt in der Form eines polymerisierten Styrens entsteht.
Die EP 0 499 363 (Tioxide Group Services Limited) offenbart eine andere Verwendung für die Wirbelscheibentechnologie in der photokatalytischen Degradierung anorganischer Materialien sowie Hydrocarbone. Eine Lösung von salicyklischer Säure und Titandioxydkatalysator wurde über die Oberfläche einer rotierenden Scheibe geführt und dabei mit ultraviolettem Licht bestrahlt.
Diese Veröffentlichungen offenbaren somit die Verwendung der Wirbelscheibentechnologie für Wärme- und Masseübertragungen in inerten und reaktiven Systemen.
Die GB 9903474.6 (University of Newcastle) deren Priorität die vorliegende Erfindung beansprucht und deren Offenbarungsgehalt hiermit in die vorliegende Anmeldung als Referenz eingeführt wird, beschreibt die Verwendung einer RSORT bei der Umwandlung eines Flüssigphasensubstrates durch dynamischen heterogenen Kontakt mit einem Agens. In dieser Anmeldung wird beschrieben, wie überraschenderweise herausgefunden wurde, daß die Wirbelscheibentechnologie zusätzlich verwendet werden kann, um Methoden der Prozessintensivierung zu erreichen, welche nicht allein in den Feldern der Wärme- und Masseübertragung, sondern ebenso im Feld des heterogenen Kontakts erreicht werden können. Darüber hinaus wird beschrieben, wie überraschenderweise herausgefunden wurde, daß die Qualität des Produktes höher ist als bei Durchführung konventioneller Prozeßmethoden, beispielsweise durch eine höhere Reinheit, und, in Polymeren, eine engeren molekulare Verteilung.
Zusätzlich zu dem oben Gesagten, kann die Wirbelscheibentechnologie auch verwendet werden, um Produkte zu erzeugen, die so durch andere Technologien nicht erzeugt werden können.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Reaktorvorrichtung zur Verfügung gestellt, welche ein Hohlträgerelement beinhaltet, welches so angepaßt ist, daß es um eine Achse drehbar ist, wobei das Trägerelement eine erste, äußere Fläche zur Reaktion und eine zweite, innere Fläche zur Wärmeübertragung und eine Einrichtung zum Aufbringen einer Wärmeübertragungsflüssigkeit auf die zweite Fläche aufweist, wobei erste und zweite Fläche thermisch miteinander verbunden sind und das Trägerelement einen Innenraum aufweist, der auf einer Seite von der zweiten Fläche begrenzt ist, dadurch gekennzeichet, daß eine Platte oder Membran sich im wesentlichen über den gesamte Innenraum erstreckt, um so einen ersten Raum zwischen der zweiten Fläche und der einen Seite der Platte oder Membran und einem zweiten Raum zwischen der gegenüberliegenden Seite der Platte oder Membran und der von der zweiten Fläche entfernten Innenfläche des Trägerelementes zu definieren, wobei jedoch ein Spalt an der Peripherie der Platte oder Membran verbleibt, so daß eine Wärmeübertragungsflüssigkeit zwischen erstem und zweitem Raum fließen kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Reaktorvorrichtung mit einem Trägerelement entwickelt worden, bei der das Trägerelement um eine Achse drehbar angeordnet ist und im wesentlichen gegenüberliegende erste und zweite Flächen aufweist, eine Zulaufeinrichtung zum Zuführen wenigstens eines Reaktanten zu der ersten Fläche des Trägerelementes, eine Auffangeinrichtung zum Auffangen des Produktes von der ersten Fläche des Trägerelementes und einer Einrichtung zum Aufbringen einer Wärmeübertragungsflüssigkeit auf die zweite Fläche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement einen im wesentlichen kreisförmigen äußeren Umfang aufweist, der mit einer Rille oder Vertiefung um sich herum versehen ist, und ein umlaufendes Prallblech um den Umfang des Trägerelementes so angebracht ist, daß es in die Rille oder Vertiefung hineinragt, aber immer noch freie Drehung des Trägerelementes erlaubt, wobei das umlaufende Prallblech dazu dient, Reaktant und Wärmeübertragungsflüssigkeit getrennt zu halten, die beim Betrieb des Reaktors von der ersten bzw. der zweiten Fläche geschleudert werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Reaktorvorrichtung mit einem Trägerelement, welches so angepaßt ist, daß es um Achse drehbar ist, entwickelt worden, wobei das Trägerelement im wesentlichen gegenüberliegende erste und zweite Flächen aufweist, eine Zulaufeinrichtung zum Zuführen wenigstens eines Reaktanten zur ersten Fläche des Trägerelementes, eine Auffangeinrichtung zum Auffangen des Produktes von der ersten Fläche des Trägerelementes und eine Einrichtung zum Aufbringen einer Wärmeübertragungsflüssigkeit auf die zweite Fläche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Fläche eine sich in axialer Position befindliche, hinterschnittene Mulde umfaßt, der die Wärmeübertragungsflüssigkeit beim Betrieb des Reaktors zugeführt wird.
Der Fachmann versteht dabei, daß der Begriff "Reaktant" nicht auf Substanzen beschränkt ist, welche dazu bestimmt sind, chemischen Reaktionen auf der ersten Oberfläche des Trägerelementes unterworfen zu sein, sondern ebenso Substanzen umfaßt, welche dazu vorgesehen sind, physikalische oder andere Prozesse, so wie Mischen oder Erwärmen unterzogen zu werden. Ebenso werden durch den Begriff "Produkt" solch eine Substanz oder solche Substanzen bezeichnet, welche von der ersten Oberfläche des Trägerelementes gesammelt werden, unabhängig davon, ob diese chemischen, physikalischen Prozessen oder beiden unterzogen wurden. Zusätzlich kann die Vorrichtung, obwohl vorgesehen ist, daß die meisten Reaktanten und Produkte als Flüssigphase vorliegen, ebenso mit jeder Art von Flüssigphasen- Reaktanten und Produkten, welche die Kombination einer Flüssigkeit, eines Feststoffes und gasförmiger Reaktanten und Produkte umfaßt, verwendet werden. Beispielsweise können Festphasen-Substanzen mit im wesentlichen freifließender Partikelform auch makroskopisch gesehen Eigenschaften fließender Flüssigkeiten aufweisen.
Eine RSORT-Vorrichtung (üblicherweise bekannt als Wirbelscheibenreaktor) umfaßt üblicherweise innerhalb einer Umwandlungskammer eine rotierende Oberfläche oder eine Anordnung einer Mehrzahl dieser rotierenden Oberflächen, welche um eine Achse rotieren, um den Transport eines oder mehrerer Reaktanten von der Achse vorzugsweise radial über die rotierende Oberfläche zu erreichen.
Eine RSORT-Vorrichtung wie sie oben beschrieben wurde umfaßt eine oben beschriebene rotierende Oberfläche und hat erfindungsgemäß eine Anzahl vorteilhafter Konstruktionsmerkmale.
Die Wärmeübertragungsflüssigkeit kann gasförmig oder flüssig, möglicherweise ein Feststoff in einer Partikelform mit makroskopisch gesehenen Fließeigenschaften einer Flüssigkeit sein. In typischen Anwendungen wird Wasser oder Dampf als Wärmeübertragungsflüssigkeit verwendet, andere Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Gefrier- und Verdampfungstemperaturen und unterschiedlichen spezifischen Wärmekapazitäten können aber abhängig von den Gegebenheiten ebenso verwendet werden.
Das Mittel zum Zuführen der Wärmeübertragungsflüssigkeit zu der zweiten Oberfläche kann eine Vielzahl von Formen aufweisen. In einer Ausgestaltungsform ist das Trägerelement im wesentlichen hohl ausgestaltet, mit einer ersten äußeren Oberfläche und einer zweiten inneren Oberfläche, welche in thermischer Verbindung mit der ersten Oberfläche steht. Beispielsweise ist das Trägerelement im wesentlichen flächig und horizontal auf einer Antriebswelle für die Rotation angebracht. Die erste Oberfläche kann dabei eine obere äußere Oberfläche auf dem Korpus des Trägerelementes und die zweite Oberfläche die mit der ersten Oberfläche korrespondierende innere Oberfläche dieses Teils des Trägerelementes sein. Eine Wärmeübertragungsflüssigkeit kann dann in das Innere des Trägerelementes geleitet werden, beispielsweise unter Verwendung einer hohlen Antriebswelle, um so die zweite Oberfläche zu berühren und Wärme auf diese oder von dieser zu übertragen. Da die zweite Oberfläche in thermischer Verbindung mit der ersten Oberfläche steht, dient dies dazu, die Wärmeübertragung von der ersten oder auf die erste Oberfläche zu erreichen. Vorteilhafterweise ist innerhalb des Trägerelementes ein Fließweg definiert, um einen Fließweg für die Wärmeübertragungsflüssigkeit bereitzustellen, um der Wärmeübertragungsflüssigkeit vor und nach im Kontakt mit der zweiten Oberfläche das Zirkulieren in das Trägerelement hinein und aus diesem heraus zu ermöglichen. Dies kann erreicht werden durch eine Platte oder Membran innerhalb des hohlen Trägerelementes, welche sich im wesentlichen über den gesamten Raum innerhalb des Trägerelementes erstreckt, jedoch einen Spalt an deren Peripherie belässt, und dazu dient, einen ersten Raum zwischen der zweiten Oberfläche und einer Seite der Platte oder Membran auszubilden und einen zweiten Raum zwischen der anderen Seite der Platte oder Membran und einem Teil des Trägerelementes, welches von der zweiten Oberfläche entfernt ist, auszubilden. Die Wärmeübertragungsflüssigkeit kann dann, beispielsweise durch eine hohle Antriebswelle zu einer zentralen Region des ersten Raums zirkuliert werden. Anschließend wird die Wärmeübertragungsflüssigkeit dazu gebracht, durch den ersten Raum hindurch über die zweite Oberfläche zu fließen, wobei Wärme hierzu oder hiervon transferiert wird, bevor die Flüssigkeit zurück zu der hohlen Antriebswelle über den peripheren Spalt und durch den zweiten Raum auf der Seite der Platte oder Membran, welche von der zweiten Oberfläche entfernt ist, hindurchfließt.
Vorteilhafterweise umfaßt die zweite Oberfläche Mittel zur Vergrößerung der für die Wärmeübertragung dienenden Oberfläche. Beispielsweise können wärmeleitende Schaufeln, Rippen oder andere Vorsprünge auf der zweiten Oberfläche vorgesehen sein. Alternativ kann ein wärmeleitendes Netz oder eine Gaze oder ein Schaum in dem ersten Raum und dem thermischen Kontakt mit der zweiten Oberfläche vorgesehen sein. Diejenige Seite der Platte oder Membran, welche zum zweiten Raum zeigt, kann vorteilhafterweise mit Schaufeln, Rippen oder anderen Vorsprüngen oder mit einem Netz oder einer Gaze oder Schaum versehen sein, um die Bildung von freien Wirbeln in der Wärmeübertragungsflüssigkeit zu verhindern, welche andernfalls einen hohen Druckabfall zwischen dem Einlass und dem Auslass der Flüssigkeit erzeugen würden. An den Orten, an denen Rippen oder Schaufeln vorgesehen sind, sind diese vorzugsweise radial in Bezug auf die Rotationsachse ausgerichtet.
An Stelle einen hohlen Trägerelementes kann ebenso ein Vollkörperelement Verwendung finden. In dieser Ausgestaltung ist die zweite Oberfläche eine äußere Oberfläche des Trägerelementes, welche der ersten Oberfläche gegenüberliegt und mit dieser in thermischer Verbindung steht. Die Wärmeübertragungsflüssigkeit kann in diesem Fall auf die zweite Oberfläche aufgebracht werden, beispielsweise durch Aufsprühen der Flüssigkeit auf die zweite Oberfläche oder bei Förderung der Flüssigkeit zu einem Zentralbereich der zweiten Oberfläche von der die Flüssigkeit durch Rotation des Trägerelementes über die gesamte zweite Oberfläche verteilt wird. Die Wärmeübertragungsflüssigkeit wird versuchen, über die zweite Oberfläche hinweg von dem Zentralbereich zur Peripherie der Oberfläche zu wandern, und dabei einen Film ausbilden, bevor die Flüssigkeit von der Peripherie der zweiten Oberfläche geworfen wird. Eine Auffangvorrichtung sowie eine Schüssel oder eine Rille, welche über dem Trägerelement angeordnet ist, kann derart vorgesehen sein, daß die Wärmeübertragungsflüssigkeit gesammelt und zurückgeführt wird. Die zweite Oberfläche kann mit einem Netz, einem Gitter, einer Riffelung oder anderen Vorsprüngen versehen sein, welche dazu dienen, die Wärmeübertragungsfläche der zweiten Oberfläche zu vergrößern und ebenso die Verweilzeit der Wärmeübertragungsflüssigkeit auf der zweiten Oberfläche zu vergrößern. Das Netz, das Gitter, die Riffelung oder andere Vorsprünge sind vorzugsweise gute thermische Leiter und in thermischer Verbindung mit der zweiten Oberfläche und somit dem Korpus des Trägerelementes und der ersten Oberfläche. Die Auffangeinrichtung ist vorzugsweise so ausgestaltet, daß sie unabhängig das Sammeln der Wärmeübertragungsflüssigkeit von der zweiten Oberfläche und des Produktes von der ersten Oberfläche erlaubt. Beispielsweise kann, wobei das Trägerelement im wesentlichen die Form einer Scheibe aufweist, bei der die erste Oberfläche nach oben zeigt und die zweite Oberfläche nach unten, eine Rille oder Vertiefung entlang des Umfangs des Trägerelementes zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche vorgesehen sein. Ein umlaufendes Prallblech oder eine Platte ist in diesem Fall so oberhalb des Trägerelementes angebracht, daß das Prallblech oder die Platte in die Rille oder Vertiefung über den gesamten Umfang des Trägerelementes hineinreicht, und wobei das Trägerelement weiterhin frei rotierend angebracht ist. Das Prallblech oder die Platte erlaubt dabei dem von der ersten Oberfläche geworfenen Produkt unabhängig von der von der zweiten Oberfläche geworfenen Wärmetransportflüssigkeit aufgesammelt zu werden.
Die Rotationsachse der rotierenden Oberfläche des Trägerelementes kann im wesentlichen vertikal angeordnet sein, wobei in diesem Fall die Erdanziehung die Reaktanten von der Oberfläche des Trägerelementes herunterzuziehen versucht. Dies kann bei Reaktanten mit geringer Viskosität vorteilhaft sein.
Alternativ hierzu kann die Rotationsachse im wesentlichen horizontal verlaufen, wodurch eine verbesserte Vermischung der Reaktanten erzielt werden kann, da diese nahezu vollständig auf der ersten Oberfläche des Trägerelementes zurückgehalten werden.
Jedes geeignete Zuführmittel kann dazu verwendet werden, den mindestens einen Reaktanten und die Wärmeübertragungsflüssigkeit auf die rotierende erste und zweite Oberfläche aufzubringen. Beispielsweise können die Zuführmittel einen Zerstäuber in Form eines "Duschkopfes", eines "Kragens", einer Öffnung oder einer einfachen, vorzugsweise einstellbaren, Einpunkteinführung, sowie Zuführmittel eines "hose-pipe-Types" sein. Vorzugsweise weist die Zuführeinrichtung einen Zerstäuber mit einer Vielzahl gleichgeformter Öffnungen auf, durch die der wenigstens eine Reaktant auf die rotierende Oberfläche, wie oben beschrieben, aufgebracht wird. Die Zuführmittel können ebenso Mittel aufweisen, durch die UV-, IR-, Röntgen-, RS- Strahlen, Mikrowellen oder andere Arten elektromagnetischer Strahlung oder Energie inklusive magnetischer oder elektrische Felder auf die Reaktanten aufgebracht werden können, wenn diese durch eine Öffnung hindurch geführt werden. Ebenso kann das Zuführmittel Mittel zum Aufbringen von Vibrationen, sowie Ultraschallvibrationen, oder auch Wärme aufweisen.
Die Zuführmittel können in jeder geeigneten Position, die die Zufuhr des Reaktants oder der Wärmeübertragungsflüssigkeit erlaubt, zu der rotierenden Oberfläche angeordnet sein. Beispielsweise können die Zuführmittel für die axiale Zufuhr axialfluchtend mit der rotierenden Oberfläche angeordnet sein. Alternativ können die Zuführmittel so positioniert sein, daß die Zufuhr von der Rotationsachse der rotierenden Oberfläche entfernt ist. Solch eine Positionierung kann zu mehr Turbulenzen und einer verbesserten Vermischung führen.
Vorteilhafterweise beinhalten die erste und/oder die zweite Oberfläche einer Öffnung, in die wenigstens ein Reaktant und/oder die Wärmeübertragungsflüssigkeit durch die Zufuhrmittel aufgebracht wird.
Die Tiefe der Öffnung in der ersten Oberfläche kann in Übereinstimmung mit dem Reaktions-Erfordernissen gewählt sein. Beispielsweise ist es vorteilhaft, die Öffnung dann relativ seicht auszugestalten, wenn photochemische Reaktionen, in denen UV- Licht auf den Reaktanten scheinen soll, beispielsweise so, dass die Tiefe in der gleichen Größenordnung oder innerhalb einer Größenordnung der erwarteten Dicke des Films, den der Reaktant auf der ersten Oberfläche des Trägerelementes ausbildet, wenn diese in einer angemessenen Geschwindigkeit rotiert.
In einer Ausführungsform können die Zufuhrmittel eine einzelne Zufuhr zu jeder Öffnung aufweisen, welche vorzugsweise auf der Rotationsachse oder coaxial zu ihr gelegen, auf der rotierenden Oberfläche liegt. In dieser Ausführungsform fließt der Reaktant oder die Wärmeübertragungsflüssigkeit von dem Zufuhrauslaß in die Öffnung hinein und wird anschließend aus der Öffnung heraus durch Zentrifugalkraft auf die rotierende Oberfläche gesprüht. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das oben beschriebene rotierende Element eine Öffnung, welche auf der Rotationsachse angeordnet ist.
Die oben beschriebene Öffnung kann jede geeignete Form, so wie länglich oder ringförmig, aufweisen. Beispielsweise kann die Öffnung eine längliche, konkave Oberfläche als Teil einer Kugel, beispielsweise einer Halbkugeloberfläche, aufweisen, oder aber eine innere Oberfläche haben, die mit der rotierenden Oberfläche über mindestens eine, im Fall einer ringförmigen Öffnung mindestens zwei, Verbindungswände verbunden ist. Die innere Oberfläche und die, Verbindungswand können jede denkbare Form aufweisen, welche die Funktion eines Durchgangs erfüllt. Beispielsweise kann die innere Oberfläche parallel zu der rotierenden Oberfläche stehen, oder aber konkav oder konvex hierzu ausgebildet sein. Die Verbindungswand kann sowohl eine einzige runde oder hohle Wand oder eine Vielzahl gerader Wände sein. Die Wände können zudem von der rotierenden Oberfläche auseinanderlaufen oder auf diese gerichtet sein.
Vorzugsweise ist eine einzige runde Wand vorgesehen, welche auf die rotierende Oberfläche zuläuft und eine Vertiefung ausbildet. Diese Form bildet ein Reservoir, welches die umfängliche Verteilung des Reaktanten oder des Flusses von Wärmeübertragungsflüssigkeit erhöht. Alternative Mittel zur Ausbildung einer Hinterschnitt-Vertiefung sind ebenso vorgesehen. Beispielsweise wird, wenn die Vertiefung im wesentlichen eine runde Form aufweist, eine äußere Wand, wie oben beschrieben, vorgesehen, und eine innere Wand, welche jede denkbare Form aufweist und eine innere Kante zu der Vertiefung ausbilden kann. Der Hinterschnittbereich der Vertiefung sollte generell als äußere Wand ausgebildet sein, um den unkontrollierten Abfluß des Reaktanten oder der Wärmeübertragungsflüssigkeit von der Vertiefung zu der ersten oder zweiten Oberfläche unter dem Einfluß von Zentrifugalkräften bei Rotation des Trägerelementes zu verhindern.
Vorteilhafterweise kann in der Vertiefung eine Matrix vorgesehen sein, die dem Reaktant oder der Wärmeübertragungsflüssigkeit, welche in der Vertiefung vorliegen, dabei helfen, mit dem Trägerelement zu rotieren, wodurch ein im wesentlichen einheitlicher Fluß von der Vertiefung über die erste oder zweite Oberfläche erreicht wird. Die Matrix kann die Form eines Stopfens aus Fasergitter, sowie Metall- oder Plastikwolle, oder aber die Form einer Vielzahl von Auskragungen, welche gegen die innere Oberfläche der Vertiefung gestützt sind, aufweisen. Andere Matrixmittel sind dem Fachmann ebenso bekannt. In einigen Ausbildungsformen ist die Matrix aus einem Material gefertigt, welches zumindest zu einem Reaktanten oder dem Produkt inerte Eigenschaften aufweist, und welches nicht wesentlich von der Temperatur und anderen variablen Prozess-Bedingungen beeinflußt ist. Alternativ hierzu kann die Matrix ebenfalls aus einem Material hergestellt sein, welches mit zumindest einem Reaktanten oder dem Produkt in Wechselwirkung tritt, sowie ein heterogener Katalysator (d. h. Nickel, Palladium oder Platin oder ein entsprechendes Metall, eine entsprechende Legierung oder ein Gemisch derselben). Wenn die Matrix aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt ist, ist es möglich, einen elektrischen Strom durch die Matrix hindurchzuleiten und so ein Wärmemittel zur Erwärmung von wenigstens einem Reaktanten innerhalb der Vertiefung bereitzustellen.
In einer weiteren Ausführungsform kann eine Vielzahl von Einspeisungen so gezielt angeordnet sein, dass ein oder mehrere Reaktanten zu einer Vielzahl von Vertiefungen, welche in der ersten Oberfläche eingeformt sind, gefördert werden. Beispielsweise kann, wenn das Trägerelement im wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist und eine im wesentlichen zentrale Rotationsachse aufweist, eine erste zentrale Vertiefung auf der Rotationsachse und Einspeisemittel zur Förderung von wenigstens einem Reaktanten zu der ersten Vertiefung ausgebildet sein, und wenigstens eine weitere Vertiefung, vorzugsweise ebenso zentriert zu der Rotationsachse und eine ringförmige Form aufweisend, wobei wenigstens eine weitere Vertiefung mit Einspeisemitteln ausgestattet ist, welche das Fördern eines zweiten Reaktanten zu wenigstens einer weiteren Vertiefung erlaubt. Dieser zweite Reaktant kann sowohl der gleiche Reaktant sein wie der erste als sich auch von diesem unterscheiden. Der Fachmann versteht, dass eine Vielzahl von Vertiefungen in ähnlicher Weise auf Trägerelementen, welche andere Formen als die von Scheiben aufweisen, angeordnet sein kann.
Durch Ausgestaltung einer Vielzahl von Vertiefungen und Einspeisungen kann auf der ersten Oberfläche des Trägerelementes eine Abfolge von Reaktionen stattfinden.
Beispielsweise können zwei Reaktanten durch eine erste Vertiefung, in welcher eine gewisse Mischung und Reaktion stattfindet, befördert werden. Bei Rotation des Trägerelementes werden die Reaktanten sich von der ersten Vertiefung zu der ersten Oberfläche des Trägerelementes, wo eine weitere Reaktion und Vermischung stattfindet, ausbreiten, und anschließend in eine zweite ringförmige und konzentrisch zu der ersten Vertiefung angeordnete Vertiefung übergehen. Ein dritter Reaktant kann dann zu der zweiten Vertiefung befördert werden, wobei eine weitere Vermischung und Reaktion stattfinden kann, wenn der dritte Reaktant und die beiden ursprünglichen Reaktanten und jedes zugehörige Produkt von der zweiten Vertiefung auf die erste Oberfläche des Trägerelementes für weitere Mischung und Reaktion sich ausbreiten. Da der Ausbreitungsweg der Reaktanten und der Produkte von der Rotationsachse weg verläuft, kann eine kontrollierte Abfolge von Reaktionen über die erste Oberfläche des Trägerelementes ausgeführt werden.
Jedes geeignete Auffangmittel zum Auffangen des Produktes bei Verlassen der rotierenden Oberfläche kann an der Peripherie vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine Aufnahme in Form einer Schüssel oder Vertiefung das rotierende Element oder jeden starren Teil der Vorrichtung zumindest teilweise umfassen. Die Auffangmittel können zusätzlich einen Deflektor, welcher um die Peripherie der rotierenden Oberfläche angeordnet ist, aufweisen, um das Produkt in die Auffangmittel hinein abzulenken. Dieser Deflektor ist vorzugsweise in einem spitzen Winkel zu der rotierenden Oberfläche angeordnet.
Die Komponenten der Auffangmittel, wie Schüssel oder Vertiefung oder Deflektor, können beschichtet oder anderweitig auf die auf dem Trägerelement reagierenden Reaktanten abgestimmten heterogenen Katalysator versehen sein, oder aber vollständig aus einem Material bestehen, welches als heterogener Katalysator wirkt. Darüber hinaus können diese Komponenten der Auffangmittel auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt oder abgekühlt sein, um Reaktionsparameter zu kontrollieren, beispielsweise um dazu zu dienen, die Reaktion zwischen Reaktanten zu unterbrechen, so dass diese die erste Oberfläche in der Form eines Produktes verfassen. Einspeisemittel zur Förderung eines Reaktanten zu dem Produkt, welches die erste Oberfläche verlässt, können ebenso vorgesehen sein. Beispielsweise können Einspeisemittel zur Einspeisung eines Abschreckmittels für das innerhalb der Auffangmittel befindliche Produkt vorgesehen sein, um chemische oder andere Reaktionen zwischen den Reaktanten unterbinden, wenn diese die erste Oberfläche verlassen haben.
Die Auffangmittel können darüber hinaus Auslassmittel jeder geeigneten Form aufweisen. Beispielsweise kann eine einzige Sammelvertiefung vorgesehen sein, welche über die Peripherie einer Scheibe oder einer das rotierende Element teilweise umfassenden Sammelschüssel verläuft.
Auslassmittel können ebenso in den Sammelmitteln vorgesehen sein, wobei diese die Form von Öffnungen jeder Größe und jeder Form und darüber hinaus an jedem Ort der Sammelmittel, welcher das Ausströmen des Produktes erlaubt, angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Auslassmittel derart angeordnet, dass sie ein vertikales Ausströmen des verwendeten Substrates erlauben.
In einer alternativen Ausführungsform können die Sammelmittel eine äußere Wand aufweisen, welche so an der Peripherie des Trägerelementes angebracht ist, dass sie verhindert, dass das Produkt von der ersten Oberfläche abgeworfen wird, und wenigstens ein Staurohr, welches in das Produkt hineinreicht, welches an der Peripherie des Trägerelementes von der äußeren Wand zurückgehalten wird. Die äußere Wand kann vorzugsweise auf die Rotationsachse des Trägerelementes zulaufen, um das Produkt während der Rotation des Trägerelementes besser zurückzuhalten, obwohl andere Anordnungen von Wänden, beispielsweise im wesentlichen parallel oder von der Rotationsachse weg verlaufend ebenso sinnvoll sein können.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können eine Vielzahl von Unterstützungselementen beinhalten, welche eine gemeinsame Rotationsachse aufweisen und welche auf einer rotierenden Welle angeordnet sind oder aber mit individuellen Rotationswellen versehen sind. Die mit beliebigen Unterstützungselementen verbundenen Sammelmittel können mit den Einspeisemitteln, welche ebenso mit beliebigen Unterstützungsmitteln verbunden sein können, so zusammenwirken, dass eine Anzahl von Unterstützungselementen in Serie oder parallel steht. Auf diesem Wege kann eine Reaktion in Serie oder parallel über eine Anzahl von Unterstützungselementen geführt werden. Die Sammelmittel eines ersten Unterstützungsgliedes können direkt mit den Einspeisemitteln eines zweiten Unterstützungsgliedes verbunden sein, oder aber über eine Prozesseinheit, beispielsweise eine Pumpe, einen Extrodierer, Erhitzer, Wärmetauscher oder jede andere entsprechende Vorrichtung, verbunden sein. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn viskose Produkte behandelt werden, beispielsweise solche, die in Polymerisations-Reaktionen erhalten werden, bei denen viskose Produkte von einem ersten Unterstützungselement so verarbeitet werden, dass vorteilhaftere Eigenschaften eingestellt werden, bevor die Produkte als Reaktant zum Unterstützungselement gefördert werden.
Beispielsweise können in dem Fall, in dem die Sammelmittel eine äußere Wand auf der ersten Oberfläche des Unterstützungselementes aufweisen, eine Anzahl von Unterstützungselementen coaxial auf einer einzigen Rotationswelle angebracht werden, um so einen Stapel von Unterstützungselementen auszuformen. Der eingespeiste Reaktant wird zu der Vertiefung eines ersten Unterstützungselementes geführt, wobei eine Sammeleinrichtung in der Form eines Staurohrs, dessen Spitze nahe der ersten Oberfläche des ersten Unterstützungselementes in der Nachbarschaft der Wand angeordnet ist, um aus diesem Bereich Produkt aufzunehmen. Ein der Spitze des Staurohrs entferntes Ende ist zu der Vertiefung eines zweiten Unterstützungselementes geführt, um dem Produkt des ersten Unterstützungselementes zu erlauben, als Reaktant für das zweite Unterstützungselement zu dienen, wobei einer Anzahl von Reaktionen ermöglicht wird, nacheinander abzufolgen. Alternativ hierzu kann ebenso eine Anzahl paralleler Einspeiser den gleichen zumindest einen Reaktant simultan zu den Vertiefungen auf einer Anzahl von Unterstützungselementen fördern und eine Anzahl Staurohr- Sammeleinrichtungen von einem peripheren Bereich eines jeden Unterstützungselementes erfassen, wobei ermöglicht wird, dass eine Reaktion parallel über eine Anzahl von Unterstützungselementen abläuft.
Es ist ebenso vorgesehen, dass Produkt von der Peripherie eines Unterstützungselementes gesammelt wird und zurückgeführt als Einspeisung für dieses Unterstützungselement dient. Dies ist dann sinnvoll, wenn Prozesse eine ausgedehnte Kontaktzeit für die Reaktanten benötigen. Das Produkt kann abhängig von den Anforderungen ganz oder auch nur teilweise zurückgeführt werden.
Die rotierende Oberfläche nimmt hierbei Bezug auf alle durchgehend oder unstetig planaren oder dreidimensionalen Oberflächen oder Anordnungen, welche nahezu oder genau um eine Achse rotieren, vorzugsweise auf eine nahezu oder genau rotierende Umwälz-Oberfläche. Eine nahezu rotierende Umwälz-Oberfläche kann eine asymmetrische Achse und/oder Maßabweichungen in der Oberflächenform und/oder im Umfang aufweisen, wodurch eine coaxial oder radial gewellte Umwälz- Oberfläche entsteht. Eine unstetige Oberfläche kann in Form eines Netzes, eines Gitters, einer gerippten Oberfläche oder dergleichen vorliegen.
Der oben beschriebene im wesentlichen radial auswärts fließende Film nimmt hierbei Bezug zu jeder Art von flüssigem Film, welcher durch den dynamischen Kontakt eines Flüssigphasen-Reaktanten mit einer oben beschriebenen rotierenden Oberfläche entstehen kann, entsprechend kommt der Flüssigphasen-Reaktant mit der rotierenden Oberfläche an jeder einzelnen oder mehreren Bereichend der Oberfläche in Kontakt und wird hierbei durch Zentrifugal-Kräfte veranlasst, nach außen abzufließen. Der Film kann dabei durchgehend ringförmig oder ein nicht- durchgängiger Bogen in jedem radialen Bereich sein. Das Substrat kann eine Vielzahl von Filmen, welche im dynamischen Kontakt zu einer oben beschriebenen rotierenden Oberfläche stehen, aufweisen.
Beispielsweise können Prozesse, die eine verlängerte Kontaktzeit benötigen, kontinuierlich unter Verwendung eines Rückflusses von Flüssigkeit, welche an der Peripherie der rotierenden Oberfläche in Richtung auf die Achse der rotierenden Oberfläche diese verlässt, und so der Reihe nach abfolgende Durchgänge der Flüssigkeit über die Oberfläche verhindern, durchgeführt werden. Im kontinuierlichen Dauerbetrieb kann eine Teilmenge der Flüssigkeit, welche die Oberfläche verlässt, als Produkt abgezogen werden und eine Teilmenge kann zur weiteren Umsetzung mit einem Anteil eines frischen Reaktanten wieder eingespeist werden.
Das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren kann in einem einzigen oder mehreren Schritten durchgeführt werden. Ein Mehrschritt-Verfahren kann einen ersten Vor-Verfahrensschritt mit weiteren Nach-Verfahrensschritten oder Veredelungs-Schritten umfassen und kann sowohl unter Verwendung einer einzelnen oben beschriebenen rotierenden Oberfläche satzweise als auch unter Verwendung einer Vielzahl nacheinander geschalteter rotierender Oberflächen kontinuierlich durchgeführt werden.
Ein zweiter oder mehrere Reaktanten können zu dem eingespeisten Reaktanten hinzugefügt werden, wenn dieser von einer rotierenden Vorrichtung zu der nächsten übergeht, oder können an jedem Ort zwischen der Rotationsachse oder dem Ausgang der Vorrichtung direkt zu der rotierenden Vorrichtung zugegeben werden. In bestimmten Fällen kann ein Vielschritt-Verfahren durch die Zugabe eines oder mehrerer Reaktanten zwischen die Rotationsachse und den Ausgang einer einzigen Rotationsvorrichtung erreicht werden, um mehr als einen Verfahrensschritt in einer einzigen Stufe durchzuführen. Es ist ebenso möglich, verschiedene Bereiche der rotierenden Oberfläche bei unterschiedlichen Temperaturen und Bedingungen zu halten und ebenso auch die Verfahrens-Anforderungen abgestimmte Oberflächen- Geometrien.
Es wird ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Verfahren sowohl durch Auswahl einer spezifischen rotierenden Oberfläche des Unterstützungselementes als auch durch Auswahl von Verfahrens-Variablen wie Temperatur, Rotationsgeschwindigkeit, Rate der Einspeisung des Reaktanten, Umsetzungszeit und dergleichen kontrolliert werden kann. Hierbei bietet das erfindungsgemäße Verfahren eine erhöhte Flexibilität in der Prozeß-Kontrolle sowohl bei Verwendung konventioneller Mittel zur Kontrolle der Betriebsbedingungen als auch zusätzlich zur Kontrolle des Typs der rotierenden Oberfläche.
Die Vorrichtung kann darüber hinaus jedes geeignete Kontrollsystem umfassen. Solch ein Kontrollsystem kann die Temperatur oder die Kontaktzeit der Reaktanten durch die Reaktionsgeschwindigkeit, die Rate der Substrat-Einspeisung und andere Verfahrens-Parameter regulieren, um ein optimales Ergebnis zu erzielen.
Die oben beschriebene Vorrichtung kann Mittel zur Optimierung der Verfahrens- Bedingungen umfassen. Beispielsweise können Mittel zum Weitergeben einer zusätzlichen Bewegung zu der rotierenden Oberfläche und so zu dem Reaktanten vorgesehen sein. Solch eine Bewegung könnte in jeder gewünschten Ebene oder Vielzahl von Ebenen auftreten und vorzugsweise eine Vibration umfassen. Jedes denkbare Mittel zur Vibration, sowie bewegliche Aufbauten auf der Oberfläche oder nicht-zentrierte Aufbauten, welche beide passive Vibrationen induzieren und/oder aber aktive Vibrationsmittel, sowie ein im Kontakt mit dem rotierenden Element stehendes mechanisches Element, welches in eine Richtung parallel zur Achse des rotierenden Elements Vibrationen erzeugt, kann vorgesehen sein. Vorzugweise ist ein passives Vibrations-Mittel in Form einer nicht auf der Rotationsachse einer des rotierenden Elements zentrierten Aufbaute vorgesehen. Vibrationen können alternativ durch einen Ultraschall-Emitter in Kontakt mit dem rotierenden Element erzeugt werden, wodurch Vibrationen in jeder gewünschten Ebene oder Vielzahl von Ebenen erzeugt werden.
Die rotierende Oberfläche kann jede Form und Oberflächenausbildung zur Optimierung der Verfahrens-Bedingungen aufweisen. Beispielsweise kann die rotierende Oberfläche im Wesentlichen planar oder gekrümmt, gekräuselt oder gerippt oder gebogen sein. Die rotierende Oberfläche kann einen Kegel ausbilden oder eine im wesentlichen abgestumpfte Kegelform aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die rotierende Oberfläche im wesentlichen planar und vorzugsweise im wesentlichen rund. Die Peripherie der rotierenden Oberfläche kann ein Oval, ein Rechteck oder jede andere Form bilden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die rotierende Oberfläche als innere Oberfläche eines Konus ausgebildet. Die Vorrichtung kann wenigstens einen Konus und wenigstens eine weitere rotierende Oberfläche oder zumindest ein Paar Oberflächen-Koni aufweisen, welche derart angeordnet sind, dass ein Zweischritt- Verfahren mit einem oder mehreren Reaktanten, welche zu jedem Konus eingespeist werden, ermöglicht wird. Vorzugsweise verlässt das Produkt einen kleineren Konus (oder andere Rotationsoberflächen) in einem Sprühnebel zu der Oberfläche eines größeren Konus (oder anderen Rotationsoberflächen), durch den das Produkt zumindest teilweise umgeben ist und zu dessen Oberfläche ein weiterer Reaktant durch die oben beschriebenen Einspeisemittel zugegeben wird, um die Vermischung des Produktes mit dem Reaktanten auf einer größeren rotierenden Oberfläche zu ermöglichen. Vorzugsweise sind diese Mittel so vorgesehen, dass die zwei Koni gegensinnig rotieren. Solch eine Anordnung verbessert die Mischung und ermöglicht einen innigeren Kontakt der Reaktanten und reduziert die physikalisch notwendige Kontaktzeit. Alternativ hierzu können die Mittel auch so vorgesehen sein, dass die Koni gleichsinnig rotieren oder ein Konus feststeht.
Oben beschriebene Oberfläche einer jeden Form und Oberflächenausformung kann mit Oberflächenmerkmalen ausgestattet sein, welche dazu dienen, das gewünschte Verfahren zu unterstützen. Beispielsweise kann die Oberfläche mikro- oder makroprofiliert, mikro- oder makro-porös, nicht klebend, beispielsweise mit einer abweisenden Beschichtung versehen, kontinuierlich oder diskontinuierlich sein und Elemente sowie ein Netz, beispielsweise ein gewebtes Netz, einen netzförmigen Schaumstoff, Kügelchen, Gewebe, Nadeln oder Drähte, für eine vergrößerte Oberfläche, einen erhöhten oder reduzierten Reibeffekt, eine erhöhte oder reduzierte laminare Strömung, eine Schermischung der Rezirkulations-Strömung in axialer Richtung oder dergleichen aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Misch-Eigenschaften der rotierenden Oberfläche durch die o. g. auf oder in der rotierenden Oberfläche vorgesehenen Merkmale erhöht. Diese können in jeder regelmäßigen oder willkürlichen Anordnung von Gittern, konzentrischen Ringen, Spinnennetz- oder ähnlichen Mustern, welche für die gegebene Anwendung geeignet erscheinen, bestehen.
Alternativ oder zusätzlich zu jedem anderen Oberflächen-Merkmal können radial beabstandete Stifte in der Form von Kreisen oder Kreis-Segmenten vorgesehen sein.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist eine poröse Oberflächen- Beschichtung vorgesehen, welche die Verarbeitung bestimmter Reaktanten unterstützt. Solch eine Beschichtung kann in Kombination mit jeder anderen der vorher genannten Oberflächen-Merkmale vorgesehen sein.
Oberflächen-Merkmale in der Form von Rillen können konzentrisch oder in jeder anderen gewünschten radial beabstandeten Form sein. Beispielsweise können die Rillen "wellige" oder verzerrte Kreise ausbilden, um die Mischung zu maximieren.
Die Rillen können parallele Seiten aufweisen oder aber eine oder beide Seiten, welche auseinandergehen, um Hinterschnitt-Rillen auszubilden, oder Seiten, die aufeinander zulaufen, um zugespitzte Rillen auszubilden. Vorzugsweise sind die Rillen eingeschnitten, um die Vermischung zu begünstigen.
Die Rillen können gewinkelt sein, um auf die Achse der rotierenden Oberfläche zu- oder von dieser wegzuragen, um den Einschnitt oder die Zuspitzung zu erhöhen oder zu reduzieren.
Mittel zum Energietransfer für die rotierende Oberfläche oder den Reaktanten oder das Produkt können, wie oben bereits beschrieben, vorgesehen sein. Beispielsweise können Erwärmungsmittel zur Erwärmung des Reaktanten, beispielsweise als Teil der Einspeise-Mittel, vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich hierzu können Erwärmungsmittel zur Erwärmung des rotierenden Elements in Form eines Wärmestrahlers oder eines anderen Heizmittels auf einer Fläche des rotierenden Elements, welche nicht die rotierende Oberfläche zur Umwandlung umfasst, angeordnet sein. Vorzugsweise sind radial beabstandete, im wesentlichen kreisförmige Wärmestrahler vorgesehen.
Jedes bevorzugte Kühl- oder Abschreck-Mittel kann in einer angemessenen Position angeordnet sein, um das ausreagierte Substrat abzukühlen. Beispielsweise können Kühl-Rohrschlangen oder eine Kühlsenke zur Abkühlung durch Wärme-Austausch vorgesehen sein, oder ein Ablösch-Reservoir kann durch Abkühlung die Beendigung der Reaktion durch innige Vermischung in den Sammelmitteln erzielen.
In einigen Ausführungsformen kann einer der Reaktanten eine Flüssigphasen- Komponente und ein anderen Reaktant eine Gasphasen-Komponente sein. In diesen Ausführungsformen ist das rotierende Unterstützungs-Element vorzugsweise innerhalb eines Kessels angeordnet, um die Konzentration der Gasphasen- Komponente in der Nachbarschaft der Oberfläche kontrollieren zu können. Die flüssige Komponente kann, wie oben beschrieben, auf die Oberfläche der Scheibe aufgegeben werden. Die Gas-Komponente wird hierbei in den Behälter geleitet. Ein rotierender Propeller oder Rotor oder eine ähnliche Vorrichtung kann nahe der rotierenden Oberfläche angebracht sein und so bewegt werden, dass sie eine gasförmige Komponente von einer Region, welche die Peripherie der rotierenden Oberfläche umgibt, zu den Zentren der rotierenden Oberfläche ansaugt, während die flüssige Komponente aufgrund der Rotation der rotierenden Oberfläche zu deren Peripherie wandert. Wenn z. B. das Unterstützungselement eine Scheibe ist, kann der Propeller oder Rotor die Form einer im wesentlichen scheibenförmigen Struktur, welche koaxial zu und nahe beim dem Unterstützungselement angebracht ist, annehmen. Die Oberfläche des Propellers oder Rotors, welche der rotierenden Oberfläche des Unterstützungselements gegenüberliegt, kann zudem mit Schneiden oder Schaufeln versehen sein, so dass die Rotation des Propellers oder Rotors dazu dient, die gasförmige Komponente von der Peripherie der Oberfläche und dem Propeller oder Rotor auf das Zentrum der Oberfläche hin zu saugen. Durch die Erzeugung dieses Gegenstroms von gasförmigen und flüssigen Komponenten wird der Wärme- und Masse-Transfer zwischen den Komponenten deutlich verbessert, wobei die Konzentration von unreagierten Flüssigphasen-Reaktanten an der Peripherie der Scheibe am geringsten ist, und daher von einer hohen Konzentration der gasförmigen Komponente profitiert, so dass eine vollständige Reaktion gewährleistet ist.
In allen oben beschriebenen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, wenn die Wärme-Übertragungs-Flüssigkeit ihre Phase während ihres Übergangs auf die zweite Oberfläche wechselt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Wärme- Übertragungs-Flüssigkeit in einer gegebenen Phase aufgegeben wird, und anschließend ein Dampfdruck im Bereich der zweiten Oberfläche aufrechterhalten wird, so dass der Phasen Wechsel unterstützt wird und ein zusätzlicher Wärme- Transfer aus jedem Phasen-Übergang (die latente Wärme des Phasen-Wechsels) verfügbar ist. Beispielsweise wird, wenn ein flüssiges Wärmeübertragungsmittel bei geringem Dampfdruck aufgegeben wird, dieses dazu neigen, in den Bereich der zweiten Oberfläche auszudampfen, und so aufgrund seiner latenten Wärme aus der Verdampfung die zusätzliche Wärme absorbieren.
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und um zu zeigen, wie die Erfindung ausgeführt werden kann, wird nun beispielhaft auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen, in denen:
Fig. 1 eine Drehscheiben-Vorrichtung in schematischer Darstellung zeigt
Fig. 2 eine sich drehende Hohl-Scheibe mit einem internen Wärmetransfer- Flüssigkeits-Strömungsweg zeigt,
Fig. 3 eine massive Drehscheibe mit Einspeismitteln für einen Reaktanten und eine Wärmeübertragungs-Flüssigkeit
Fig. 4 ein Detail einer Drehscheibe mit einer zentralen Mulde zeigt,
Fig. 5 ein Detail einer Drehscheibe mit einer ringförmigen Mulde zeigt, und
Fig. 6 eine Dreh-Scheibe mit einem rotierenden Propeller zeigt.
Fig. 1 zeigt eine Drehscheiben-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung ist innerhalb eines Gefäßes (1) angebracht und besitzt eine Antriebswelle (2) an ihrer Achse, welche eine Drehscheibe (3) stützt. Einspeise-Mittel (4) geben einen Reaktanten im Bereich von deren Achse (6) auf die Oberfläche (5) einer Scheibe (3). Die Rotation der Scheibe (3) bewirkt, dass der Reaktant radial nach außen fließt, wobei er im Kontakt mit der Oberfläche (5) der Drehscheibe (3) ist. Die Flüssigkeit wird durch eine Sammelmulde (7) an der Außenkante der Schreibe (3) gesammelt und kann durch eine Kühl-Wicklung (8) rasch abgekühlt werden. Eine Randleiste (9) verhindert einen miniskenförmigen Rückfluß der Flüssigkeit, wodurch der Antriebswellen-Mechanismus verschmutzt würde. Einlassmittel (10) ermöglichen kontrollierte Umwelt-Bedingungen der vorgesehenen, beispielsweise Stickstoff- Atmosphäre. Auslass-Entlüftungsmittel (11) ermöglichen die Entlüftung atmosphärischer Gase oder derjenigen Gase, die während des Prozesses ausströmen. Überwachungs-Mittel sind in Form von Fenstern (12), durch die der Fortschritt der Umwandlung beobachtet werden kann, vorgesehen.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 kann wie unten in Beispiel 1 gestartet und betrieben werden. In dem Fall, dass der Prozess eine exotherme Umwandlung ist, können Kühlwindungen (8) dazu verwendet werden, das gesammelte Produkt in der Mulde (7) zu kühlen. Die Drehscheibe (3) ist mit Wärme-Wicklungen (nicht gezeigt) versehen, welche dazu genutzt werden können, die Umwandlung einzuleiten oder aufrechtzuerhalten. Die Scheibe (3) oder das Reaktorgefäß (1) können mit einer Strahlungsquelle versehen sein, oder mit Mitteln zur Beaufschlagung mit einem elektrischen oder magnetischen Feld oder dergleichen an oder über der Oberfläche (5) der Scheibe oder an der Wand des Reaktorgefäßes (1).
Fig. 2 zeigt eine hohle, rotierende Scheibe (18) mit einer ersten, äußeren Oberfläche (19) und einer zweiten, inneren Oberfläche (20) in thermischer Verbindung zu der ersten Oberfläche (19). Die Scheibe (18) ist an einer hohlen Schaltspindel-Antriebswelle (21) angebracht, welche dazu dient, die Schreibe (18) zu drehen. Der Reaktant (15) wird einer Mulde (13), welche in einem zentralen Bereich der ersten Oberfläche (19) liegt, durch Einspeisemittel (4) zugeführt, und läuft bei Rotation der Schreibe (18) auf die erste Oberfläche (19) in Form eines Films (17) über. Eine Platte (22) ist in dem hohlen Inneren der Scheibe (18) vorgesehen, so dass das Innere in einen ersten Raum (23) zwischen der Platte (22) und der zweiten Oberfläche (20) und in einen zweiten Raum (24) zwischen der Platte (22) und der unteren, inneren Oberfläche (25) auf der Scheibe (18) aufgeteilt wird. Ein Einspeisrohr (26) für die Wärmeübertragungs-Flüssigkeit ist in der hohlen Schaltspindel-Antriebswelle (21) vorgesehen und reicht bis zu einer zentralen Öffnung (27) der Platte (22), wodurch ermöglicht wird, dass die Wärmeübertragungs- Flüssigkeit in den ersten Raum (23) eingeht. Eine periphere Lücke ist zwischen dem Umfang der Platte (22) und der inneren, umfänglichen Oberfläche der Scheibe (18) vorgesehen, so dass ein Fließweg von dem ersten Raum (23) zu dem zweiten Raum (24) und anschließend zurück zu einer Region in der hohlen Schaltspindel Antriebswelle (21) aus dem Einspeise-Rohr (26) für die Wärmeübertragungs- Flüssigkeit heraus. Dadurch, dass die Wärmeübertragungs-Flüssigkeit über den so definierten Einströmweg verläuft, ist es möglich, die Temperatur der ersten Oberfläche (19), über die die Bearbeitung des Reaktanten (15) abläuft, zu regulieren. Ein thermisch leitfähiges Gitter (28) ist an der zweiten Oberfläche (20) und reicht in den ersten Raum (23) hinein, so dass der Bereich des Wärmetransports auf der zweiten Oberfläche (20) vergrößert wird. Radiale Schaufeln (29) sind auf der Platte (22) angebracht, so dass sie in den zweiten Raum (24) hineinreichen, wodurch freie Wirbel, welche andernfalls in der Wärmeübertragungs-Flüssigkeit entstehen könnten, aufgelöst werden, was zu einem hohen Druckabfall zwischen dem Einlass und dem Auslass für die Wärmeübertragungs-Flüssigkeit führt.
Fig. 3 zeigt eine massive, rotierende Scheibe (3) mit einer ersten Oberfläche (5) und einer zweiten gegebenüberliegenden Oberfläche (30), die auf einer - Antriebswelle (2) in einem Gehäuse (31) angebracht ist. Eine Mulde (14) ist zentral auf der ersten Oberfläche (5) angebracht und so ausgestaltet, dass sie Reaktanten (15) von den Einspeisemitteln (4) aufnehmen kann. Wie im folgenden beschrieben, läuft der Reaktant (15) aufgrund der Rotation der Scheibe (3) aus der Mulde (14) heraus, um einen Film (17) auf der ersten Oberfläche (5) auszubilden. Der Reaktant (15) wandert dabei über die erste Oberfläche (5) zu einer peripheren Region, bei der er von der ersten Oberfläche (5) in eine Sammel-Mulde (32), welche über die Peripherie der Scheibe (3) in dem Gehäuse (31) vorgesehen ist, abgeworfen wird. Eine zweite Mulde (33) ist auf der zweiten Oberfläche (30) vorgesehen. Des weiteren sind Einspeise-Mittel (34) zur Zufuhr einer Wärmeübertragungs-Flüssigkeit (35) zu der zweiten Mulde (33) vorgesehen. Unter Rotation der Scheibe (3) wird die Wärmeübertragungs-Flüssigkeit (35) auf die zweiten Oberfläche (30) überlaufen und über diese in gleicher Weise wie der Reaktant (15) über die erste Oberfläche (5) hinüberwandern. Da die Scheibe (3) aus Metall besteht und daher ein guter Wärmeüberträger ist, wird der Wärmetransport von oder zu der zweiten Oberfläche (30) ebenso einen Wärmetransport von oder zu der ersten Oberfläche (5) bewirken. Die Scheibe (3) ist mit einer Rille (36) dargestellt, welche über eine umlaufende Wand (37) der Scheibe herausragt. Die Sammelmulde (32) ragt in die Rille (36) über den gesamten Umfang der Scheibe (3) heraus, wobei die Scheibe (3) durchgehend frei rotieren kann, und wodurch der Reaktant (15) oder das Produkt, welche von der ersten Oberfläche (5) geworfen wurden, davon abgehalten werden, sich mit einer Wärmeübertragungs-Flüssigkeit (35), welche von der zweiten Oberfläche (30) geworfen wurde, zu vermischen. Eine zweite Sammelmulde (38) dient dazu, Wärmeübertragungs-Flüssigkeit (35) für das Recycling aufzusammeln. Eine Dichtung oder eine Versiegelung (39) ist dort vorgesehen, wo die Antriebswelle (2) in das Gehäuse (31) eintritt, so dass ein unkontrolliertes Ausfließen der Wärmeübertragungs-Flüssigkeit (35) verhindert wird. Die Wärmeübertragungs- Flüssigkeit (35) kann als Flüssigkeit oder unter relativ geringem Dampfdruck zugeführt werden, oder ein relativ geringer Dampfdruck kann innerhalb des Reaktors aufrechterhalten werden, so dass die Verdampfung unterstützt wird und dadurch die zusätzliche Wärme aus dem Phasenwechsel von Flüssigkeit zu Gas absorbiert werden kann.
In Fig. 4 wird eine axial angeordnete zentrale Mulde (14) gezeigt, welche durchgehend verläuft und ein Bohrloch, welches auf der Rotationsachse (6) der rotierenden Oberfläche (5) einer Scheibe (3) angeordnet ist. Die Rotation bewirkt, dass der Reaktant oder die Wärmeübertragungs-Flüssigkeit (15) durch die Einspeise-Mittel (4) zugeführt wird und unter Bildung eines kreisförmigen Films (16) innerhalb der Mulde (14) zu der Wand fließt. Der kreisförmige Film (16) fließt dann über auf die Oberfläche (5) der Scheibe (3) und bildet auf der Oberfläche (5) einen Film (17).
In Fig. 5 ist eine kreisförmige Mulde (13) dargestellt, welche einen koaxial zur Rotationsachse (6) der Scheibe (3) angeordneten Kanal ausbildet. Die Rotation bewirkt, unterstützt von dem Muldenprofil, dass der Reaktant oder die Wärmeübertragungs-Flüssigkeit (15) in die Mulde (13) hinein und von dort zu der Wand fließt und einen kreisförmigen Film (16) innerhalb der Mulde (13) ausbildet, bevor dieser in der Form eines Films (17) auf die Oberfläche (5) der Scheibe (3) überläuft.

Beispiel 1 - Polymerisation von Ethylen unter Verwendung einer mit einem Katalysator beschichteten Scheibe

Ein Philips-Katalysator war auf die Oberfläche einer Drehscheiben-Vorrichtung aufgebracht worden, wobei Verfahren wie oben beschrieben Verwendung fanden. Die beschichtete Scheibe war in einer Drehscheiben-Vorrichtung angebracht worden.
Die verwendete Drehscheiben-Vorrichtung ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Die wesentlichen Hauptkomponenten sind:
i) obere Scheibe - eine ebene Messingscheibe einer Dicke von 17 mm und einem Durchmesser von 500 mm, welche in der Lage ist, um eine vertikale Achse zu drehen.
ii) Flüssigkeits-Verteiler - eine runde Kupferröhre mit einem Durchmesser von 100 mm, welche konzentrisch oberhalb der Scheibe angeordnet ist, sprüht eine Flüssigkeit vertikal auf die Scheiben-Oberfläche aus 50 gleichförmig angeordneten Löchern in der Unterseite. Die Fließrate wurde manuell durch ein Ventil kontrolliert und unter Verwendung eines Schwebekörper-Durchflussmessgerätes aus rostfreiem Stahl und eine metrischen Größe 18 überwacht. Eine typische Fließrate für die Flüssigkeit war 31,3 cm³/sek.
iii) Motor - ein Gleichstrommotor mit variabler Geschwindigkeit, welcher in der Lage ist, bei 3.000 U/min. zu rotieren. Die Rotationsgeschwindigkeit war verändert worden, wobei ein digitaler Regler, der für Scheibengeschwindigkeiten zwischen 0 und 1.000 U/min kalibriert war, verwendet wurde. Eine typische Rotationsgeschwindigkeit war 50 U/min.
iv) Heizstrahler - 3 Heizstrahler (jeder bestehend aus zwei Elementen), welche mit gleichem Abstand unter der Scheibe angebracht waren, beaufschlagten die Scheibe mit Wärme. Die Temperatur wurde verändert, wobei ein Temperatur-Regler für jeden Strahler verwendet wurde. Jede Strahler-Temperatur konnte bis zu einer Temperatur von 400ºC geregelt werden. Doppeltransistor-Regulatoren wurden verwendet, um die Geschwindigkeit der Reglerantwort zu kontrollieren (diese blieben während der Tests in der Einstellung 10).
v) Thermoelemente und Datenabtaster -16 Thermoelemente des Typs K waren in die obere Scheibe eingebettet und gaben einen Hinweis auf die Temperaturprofile der Oberfläche über den Scheibenradius. Die Thermoelemente mit ungerader Nummerierung 1-15 inklusive waren von unten bis zu einem Abstand von 3 mm von der oberen Scheibenoberfläche entfernt in der Scheibe eingebettet. Die Thermoelemente mit gerader Nummerierung 2-16 inklusive waren von unterhalb der Scheibe bis zu einem Abstand von 10 mm von der oberen Scheibenoberfläche eingebettet. Jedes Paar von Thermoelementen, d. h. 1 und 2 oder 3 und 4 oder 5 und 6 etc. waren nebeneinander bei radialen Abständen von 85 mm, 95 mm, 110 mm, 128 mm, 150 mm, 175 mm, 205 mm bzw. 245 mm eingebettet (vgl. Fig. 3). Die Thermoelemente waren mit dem Datenscanner verbunden, welcher die Daten in gegebenen Intervallen zu einem PC übermittelte und registrierte, wobei die DALITE-Konfiguration und ein Überwachungs-Softwarepaket verwendet wurde.
vi) Manuelles Thermoelement - ein von Hand gehaltenes Thermoelement des Typs K wurde verwendet, um die Temperatur der Flüssigkeitsmenge auf der Scheibe zu messen.
Die Prüfvorrichtung war in zwei Anordnungen verwendet worden. In einer Anordnung erfolgte die Einspeisung konstant und das aufgewärmte Produkt wurde zur Sammelmulde geschickt. In einer alternativen Anordnung war die Prüfvorrichtung mit einem Rückfluss ausgestattet.
Die Drehscheiben-Vorrichtung aus Fig. 1 wurde gestartet und Temperatur und Rotationsgeschwindigkeit wurden eingestellt. Wenn der Bereitschafts-Zustand erreicht war, wurde gasförmiges Ethylen zu dem umlaufenden Katalysator an der Achse der beschichteten Scheibenoberfläche aufgegeben. Das Produkt wurde in der an der Peripherie der Scheibe verlaufenden Sammelmulde abgezogen. Die Analyse erbrachte, dass das Produkt hochwertiges Polyethylen war.
Fig. 6 zeigt eine Drehscheibe (3) mit einer Oberfläche (5), welche innerhalb eines Gefäßes (1) auf einer Antriebswelle (2) angebracht ist und mit einer Einspeisung (4) für einen flüssigen Reaktanten, so wie ein organisches Prepolymer, versehen ist. Ein rotierender Propeller (70) ist koaxial zu der Scheibe (3) und nahe bei dessen Oberfläche (5) angebracht, wobei eine Oberfläche (71) des Propellers (70), welche der Oberfläche (5) gegenüberliegt, mit Schaufeln (72) versehen ist. Ein gasförmiger Reaktant, so wie Stickstoff, wird in das Gefäß (1) durch einen Einlaß (10) zugeführt. Unter Rotation der Scheibe (3) bewegt sich der flüssige Reaktant vom Zentrum der Oberfläche (5), wie oben beschrieben, zu dessen Peripherie. Wenn der Propeller (70) angemessen auf der Antriebswelle (74) rotiert, wird der gasförmige Reaktant in den Raum (73) zwischen dem Propeller (70) und der Oberfläche (5) gesaugt und bewegt sich gegen die Strömungsrichtung des flüssigen Reaktanten auf das Zentrum der Oberfläche (5) zu, wobei die Masse - und/oder Wärme Übertragungs-Eigenschaften verbessert werden. Gasförmige Reaktanten und unerwünschte Nebenprodukte der Reaktion können über eine Austragröhre (75), in der zumindest ein Teilvakuum anliegt, von dem zentralen Bereich des Raums (73) entfernt werden. Eine partielle Abdichtung (76) innerhalb der Austragsröhre (75) kann so vorgesehen sein, dass die Rate des Austrags von gasförmigen Reaktanten und der Entfernung vom Nebenprodukten kontrolliert werden kann.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem vorangehend Beschriebenen.

Claims

1. Reaktorvorrichtung mit einem Hohlträgerelement (18), das so angepaßt ist, daß es um eine Achse (6) drehbar ist, wobei das Trägerelement (18) eine erste, äußere Fläche (19) zur Reaktion und eine zweite, innere Fläche (20) zur Wärmeübertragung und eine Einrichtung (26) zum Aufbringen einer Wärmeübertragungsflüssigkeit auf die zweite Fläche (20) aufweist, wobei erste und zweite Fläche (19, 20) thermisch miteinander verbunden sind und das Trägerelement (18) einen Innenraum aufweist, der auf einer Seite von der zweiten Fläche (20) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Platte oder Membran (22) im Innern des Hohlträgerelements (18) bereitgestellt ist, wobei sich die Platte oder Membran (22) im wesentlichen über den gesamten Innenraum erstreckt, um so einen ersten Raum (23) zwischen der zweiten Fläche (20) und der einen Seite der Platte oder Membran (22) und einen zweiten Raum (24) zwischen der gegenüberliegenden Seite der Platte oder Membran (22) und der von der zweiten Fläche (20) entfernten Innenfläche (25) des Trägerelements (18) zu definieren, wobei jedoch ein Spalt an der Peripherie der Platte oder Membran (22) verbleibt, so daß eine Wärmeübertragungsflüssigkeit zwischen erstem und zweitem Raum (23, 24) fließen kann.

2. Reaktor nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (26) zum Aufbringen der Wärmeübertragungsflüssigkeit einen Flüssigkeitszulauf (26) zum axialen Teil des ersten Raums (23) umfaßt.

3. Reaktor nach Anspruch 2, wobei die Einrichtung (26) zum Aufbringen der Wärmeübertragungsflüssigkeit ein Zulaufrohr (26) umfaßt, das entlang einer hohlen Antriebswelle (21) verläuft, die mit dem axialen Teil des Trägerelements (18) verbunden ist, wobei das Zulaufrohr (26) so angepaßt ist, daß es die Wärmeübertragungsflüssigkeit dem ersten Raum (23) zuführt.

4. Reaktor nach Anspruch 3, wobei durch das Zulaufrohr (26), den ersten Raum (23), den peripheren Spalt, den zweiten Raum (24) und dem Raum zwischen der Außenfläche des Zulaufrohrs (26) und der Innenfläche der hohlen Antriebswelle (21) ein Fließweg für die Wärmeübertragungsflüssigkeit definiert wird.

5. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die gegenüberliegende Seite der Platte oder Membran (22) mit Schaufeln, Rippen oder anderen Vorsprüngen (29) versehen ist.

6. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die gegenüberliegende Seite der Platte oder Membran (22) mit einem Netz oder Gewebe oder Schaum versehen ist.

7. Reaktor nach Anspruch 5, wobei die Schaufeln, Rippen oder anderen Vorsprünge (29) radial bezüglich der Drehachse (6) ausgerichtet sind.

8. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Fläche (20) mit einem wärmeleitenden Netz, Gitter bzw. einer Riffelung oder anderen Erhebungen versehen ist, die die Wärmeübertragungsfläche der zweiten Fläche (20) erhöhen.

9. Reaktorvorrichtung mit einem Trägerelement (3), das so angepaßt ist, daß es um eine Achse (6) drehbar ist, wobei das Trägerelement (3) im wesentlichen gegenüberliegende erste und zweite Flächen (5, 30) aufweist, eine Zulaufeinrichtung (4) zum Zuführen wenigstens eines Reaktanten (15) zur ersten Fläche (5) des Trägerelements (3), eine Auffangeinrichtung (32) zum Auffangen des Produkts von der ersten Fläche (5) des Trägerelements (3) und eine Einrichtung (34) zum Aufbringen einer Wärmeübertragungsflüssigkeit (35) auf die zweite Fläche (30), dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (18) einen im wesentlichen kreisförmigen äußeren Umfang (37) aufweist, der mit einer Rille oder Vertiefung (36) um sich herum versehen ist, und ein umlaufendes Prallblech (32) um den Umfang (37) des Trägerelements (3) so angebracht ist, daß es in die Rille oder Vertiefung (36) hineinragt, aber immer noch freie Drehung des Trägerelements (3) erlaubt, wobei das umlaufende Prallblech (32) dazu dient, Reaktant (15) und Wärmeübertragungsflüssigkeit (35) getrennt zu halten, die beim Betrieb des Reaktors von der ersten bzw. der zweiten Fläche (5, 30) geschleudert werden.

10. Reaktorvorrichtung mit einem Trägerelement (3), das so angepaßt ist, daß es um eine Achse (6) drehbar ist, wobei das Trägerelement (3) im wesentlichen gegenüberliegende erste und zweite Flächen (5, 30) aufweist, eine Zulaufeinrichtung (4) zum Zuführen wenigstens eines Reaktanten (15) zur ersten Fläche (5) des Trägerelements (3), eine Auffangeinrichtung (32) zum Auffangen des Produkts von der ersten Fläche (5) des Trägerelements (3) und eine Einrichtung (34) zum Aufbringen einer Wärmeübertragungsflüssigkeit (35) auf die zweite Fläche (30), dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Fläche (30) eine sich in axialer Position befindliche, hinterschnittene Mulde (33) umfaßt, der die Wärmeübertragungsflüssigkeit (35) beim Betrieb des Reaktors zugeführt wird.

11. Reaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei des weiteren ein Drehlaufrad oder Drehschaufelrad (70) bereitgestellt ist, das dicht an der ersten Fläche (5, 19) befestigt ist und so arbeitet, daß es einen Gasstrom von der Peripherie der Fläche (5, 19) hin zu einem mittleren Bereich derselben erzeugt, wobei dieser Strom im Gegenstrom zum Strom des Reaktanten (15) auf der ersten Fläche (5, 19) läuft.